Proses Pembuatan Sel Surya Silikon
Ketika trio Bell Laboratories, Chapin, Fuller dan Pearson, menemukan sebuah fenomena p-n junction
yang dapat mengubah radiasi sinar matahari menjadi tenaga listrik
pertama kalinya pada tahun 1954, material yang dipergunakan berupa
silikon (Si). Sayangnya fenomena yang mereka sebut sebagai ‘photocell’
kala itu masih belum menarik banyak perhatian kalangan peneliti untuk
dijadikan sebuah mata kajian serius. Dugaan penulis pribadi ialah karena
saat itu booming penelitian dalam bidang fisika zat padat (solid state physics) atau zat mampat (condensed matter)
tengah mewabah. Ditambah lagi dengan semakin terbukanya teknologi
semikonduktor dan teknologi vakum membuka industrialisasi besar-besaran
produk elektronika terutama untuk kalangan rumah tangga pada era
1950-1960-an.
Minimnya perhatian pada fenomena photocell
berlangsung hingga hampir 20 tahun lamanya sampai meletusnya krisis
minyak bumi selama pecahnya perang Arab-Israel di awal tahun 1970-an
akibat embargo minyak oleh negara Arab terhadap dunia Barat.
Tersentaknya dunia atas krisis minyak tersebut
berimbas pada kebijakan mencari sumber-sumber energi baru selain
bersandar pada minyak bumi/energi fosil di mana ‘photocell’ menjadi
salah satu sumber energi baru yang dilirik. Nama photocell yang kemudian
berubah menjadi solar cell/sel surya dengan sangat cepat menjadi salah
satu topik utama penelitian di bidang energi baru dan terbaharukan. Hal
ini sangat jelas beralasan pada kemampuannya mengubah energi sinar
matahari menjadi energi listrik secara langsung dan mudah serta sangat
menjanjikan. Yang sama pentingnya ialah, munculnya topik penelitian di
bidang ini telah berhasil menyadarkan masyarakat pada masa itu bahwa
energi matahari memiliki potensi yang selama ini belum teroptimalkan
dalam memenuhi kebutuhan energi dunia.
Sel surya dengan berbahan baku silikon hingga saat
ini masih merupakan jenis sel surya yang paling banyak diteliti,
dikembangkan serta dipasarkan. Selain dilatarbelakangi oleh penemuan
pertama sel surya, mapannya pengetahuan akan silikon, terbuktinya
kehandalan silikon dalam aplikasi sel surya, dan jumlah cadangan silikon
di perut bumi berupa pasir silica yang berlimpah menjadi beberapa bahan
pertimbangan utama. Belum ditambah oleh dukungan infrastruktur industri
semikonduktor yang memang mengambil material silikon sebagai bahan
dasar utama produk elektronika yakni microchip atau microprocessor.
Mantapnya silikon sebagai sel surya yang paling
banyak diproduksi patut berterima kasih pada dukungan industri
semikonduktor tersebut. Pada masa-masa awal industrialisasi sel surya,
silikon sebagai bahan dasar sel surya merupakan bahan buangan dari
industri semikonduktor. Silikon yang tidak terpakai pada industri
semikonduktor dikarenakan, misal, kadar kemurnian silikon yang rendah,
dipakai pada industri sel surya yang memang tidak terlalu membutuhkan
material silikon dengan kemurnian yang sangat tinggi. Baru pada beberapa
tahun belakangan inilah beberapa pabrik pemurnian silikon mulai
memproduksi bahan material silikon khusus untuk aplikasi sel surya
dengan berkaca pada pesatnya produksi sel surya silikon di dunia saat
itu, maupun proyeksi pemasaran sel surya di masa depan. Saat ini, sel
surya jenis silikon menempati pangsa pasar sekitar 82-85% pasar sel
surya dunia.
Sebagaimana disinggung di atas, sel surya pertama memanfaatkan p-n junction silikon, yang menjadi cara kerja fundamental sel surya jenis apapun. Silikon jenis p (p-type) disambung dengan silikon jenis n (n-type) menghasilkan sambunagn p-n. p-type ini maksudnya silikon dengan kelebian muatan positif (surplus hole) dan n-type merupakan material silikon berkelebihan muatan negatif (surplus elektron). Adanya sambungan p-n
ini memungkinkan kedua muatan positif (hole) maupun negatif (elektron)
dapat berpindah dan mengalir ke arah yang berlawanan. Jika kedua ujung
sambungan p-n ini dihubungkan dengan sebuah rangkaian listrik,
maka elektron dan hole dapat mengalir ke rangkaian. Sinar mataharilah
(photon) yang menggerakkan elektron dan hole tersebut menuju rangkaian
tadi. (Mekanisme sel surya ini disederhanakan demikian saja, mekanisme sel surya yang lebih detail ditulis pada artikel Melihat prinsip kerja sel surya lebih dekat (Bagian Pertama). Gambar dibawah ini merupakan struktur komponen dasar sel surya pada umumnya.
Proses pembuatan sel surya silikon ini terbilang
paling sederhana diantara semua jenis sel surya. Meski merupakan sebuah
proses dalam dunia semikonduktor yang identik dengan proses high-tech,
namun jika mencermati proses pembuatan sel surya secara lebih detil,
kesan tersebut berangsur-angsur hilang. Penulis kebetulan pernah
mengunjungi sebuah pabrik –tepatnya sebuah industri kecil-menengah- yang
memproduksi sel surya di sebuah kota industri di Korea Selatan; dari
pembuatan silikon n type hingga enkapsulasi sel surya yang siap
dijual. Tidak terlampau rumit mengerjakannya, meski perlu disadari
bahwa industri ini membutuhkan investasi yang tidak kecil.
Proses umum pembuatan sel surya silikon :
Pembuatan sel surya silikon ini bermula dari pemesanan silikon khusus untuk aplikasi sel surya yang dikenal sebagai “Cz-Si wafers (Czochralski Silicon wafers) di mana Cz merupakan proses utama pembuatan silikon wafer dari bijih silikon. Yang disebut dengan khusus ialah silikon wafer ini telah dimodifikasi menjadi silikon p-type dari pabrikan. Silikon wafer untuk sel surya ini berbentuk bujur sangkar dengan sudut yang diratakan, sebagaimana ditunjukkan pada di bawah. Dimensi silikon wafer ini ialah 10-15 cm dengan ketebalan antara 200-350 micron (0.2-0.35 mm).
2. Pembersihan permukaan silikon wafer.
Silikon wafer yang dipesan ini memiliki tipikal permukaan yang sangat kasar akibat pemotongan atau pengerjaan selama di pabrik pembuatan wafer. Untuk itu, permukaan silikon di etch (dikikis) dengan menggunakan larutan asam atau basa. Cukup dengan merendam silikon wafer ke dalam larutan tersebut, maka permukaan silikon wafer kira-kira sedalam 10 mikron akan terkikis secara merata.
3. Teksturisasi permukaan silikon wafer.
Agar silikon wafer yang dipergunakan dapat secara optimal menyerap sinar matahari, pada umumnya permukaan silikon diberi perlakuan khusus berupa teksturisasi dengan menggunakan larutan basa NaOH atau KOH dengan konsentrasi, temperatur maupun lama perlakuan tertentu. Dengan mencelupkan wafer ke dalam laruan tersebut, permukaan silikon menjadi kasar dengan tekstur menyerupai piramida. Tekstur wafer seperti piramida ini dapat mengurangi pemantulan sinar matahri yang dating serta meningkatkan penyerapan sinar matahari oleh permukaan wafer.
4. Difusi fosfor dan pembuatan lapisan n-type silikon.
Fosfor dikenal luas sebagai elemen tambahan (dopant) untuk membuat semikonduktor silikon berjenis n atau silikon n-type. Setelah proses teksturisasi, silikon wafer ini dimasukkan ke dalam dapur pemanas bertemperatur tinggi yang dilengkapi dengan larutan POCl3 sebagai sumber fosfor. Dengan meniupkan gas inert nitrogen ke dalam larutan, maka uap fosfor akan keluar dan dapat dialirkan ke dalam dapur. Suhu di dalam furnace dijaga sekitar 900-9500C sehingga uap fosfor tersebut dapat berdifusi masuk ke dalam silikon melalui sisi sisi permukaannya. Proses difusi biasanya dihentikan setelah 10-15 menit hinga terbentuknya lapisan silikon n-type di permukaan silikon dengan ketebalan lapisan sekitar 10-20 micron. Lapisan n-type ini berfungsi sebagai pelengkap sambungan p-n pada struktur sel surya dan lapisan konduktif yang mengalirkan elektron ke rangkaian listrik.
5. Penghilangan lapisan silikon n-type pada bagian sisi wafer.
Sebagaimana ditunjukkan pada gambar 4, lapisan silikon n-type terdapat pula di bagian sisi wafer yang bila ini terjadi maka ia dapat menghubungkan dua permukaan wafer. Untuk itu lapisan silikon n-type di sisi wafer perlu dihilangkan dengan memotong lapisan tersebut atau yang lebih presisi ialah dengan menggunakan plasma yang mengikis habis lapisan silikon n-type ini.
6. Pembuatan lapisan anti-refleksi.
Selain teksturisasi untuk memaksimumkan penyerapan sinar matahari, maka penggunaan lapisan anti-refleksi (anti-reflection coating/ARC) di atas lapisan silikon n-type. Lapisan ARC ini merupakan lapisan transparan/tembus cahaya yang dapat meneruskan sinar matahari yang jatuh di permukaan wafer namun tidak memantulkannya. Indeks refraksi lapisan ARC yang besar ini-lah yang menyebabkan ia tidak memantulkan sinar matahari. Material untuk ARC ini biasanya ialah TiO2 /titanium dioksida atau Magnesium Fluorida (MgF2). Teknik pembuatannya dapat memanfaatkan teknik penguapan kimia (chemical vapor deposition/CVD) yang mereaksikan uap senyawaan titanium atau magnesium organik yang dicampur dengan uap air pada suhu yang relatif rendah yakni 2000C.
7. Metalisasi.
Agar dapat dihubungkan dengan kabel, silikon diberi lapisan metal yang konduktif sehingga dapat mengalirkan elektron/hole dari sel surya. Logam yang cocok untuk bertuas sebagai konduktor ini ialah Ag (perak). Ia memiliki sifat konduktifitas yang tinggi, memiliki daya rekat ke silikon wafer yang sangat baik serta berdaya tahan tinggi. Perak yang dipasang di silikon wafer sangat tipis dan pemasangannya menggunakan metode screen printing. Pasta larutan perak dioleskan di atas sebuah pola dengan bagian bagin tertentu yang memungkinkan pasta larutan perak mengisi permukaan wafer. Setelah selesai dioleskan di atas wafer, dengan pemanasan dan pengeringan 100-2000C, pasta akan mengering. Proses metalisasi ini dikerjakan pula di bagian belakang silikon wafer.
8. Pemanasan (co-firing).
Pemanasan pada suhu yang tinggi diperlukan untuk memantapkan lapisan metal konduktif karena masih terdapatnya residu/bahan bahan sisa organik selama pengeringan pada suhu rendah. Pada pemasan yang lebih tinggi, perak sebagai komponen konduktif menjadi semakin padat dan mampu mempenetrasi lapisan ARC dan akhirnya menyentuh lapisan silikon n-type tanpa merusak lapisan ARC sendiri. HIngga tahap ini, komponen sel surya sudah secara utuh terbuat.
9. Pengujian dan pemilihan sel.
Ini ialah tahap akhir dari pembuatan sel surya yakni menguji sel dan memeriksa efisiensi sel maupun akititas quality control lainnya.
10. Enkapsulasi dan pembuatan modul sel.
Sebagaimana disebutkan di awal, sel surya hanya berukuran 10×10 atau 15×15 cm. Agar sel dapat dipergunakan, dan menghasilkan daya yang bias dipasarkan, sel dirangkai menjadi sebuah modul yang lebih besar dan tersusun atas 20-30 sel. Dalam tahap ini, proses enkapsulasi modul dengan kaca/plastik dan pemasangan frame aluminum dikerjakan hingga siap untuk dipakai (lihat gambar modul surya di bawah). Tanpa enkapsulasi yang berfungsi pula sebagai pelindung sel surya terhadap lingkungan luar, sel atau modul tidak dapat dimanfaatkan secara optimal.
sumber : energisurya.wordpress[dot]com
0 comments:
Posting Komentar